中温太阳能化学链循环分解水制氢/合成气方法与关键技术

The current energy conversion efficiencies of solar-to-hydrogen/syngas are no higher than 10% by the solar thermochemical processes. Facing this problem, the traditional investigations mainly concerning how to improve the conversion of the thermochemical reactions with the aid of catalysts. This study realizes that the serious irreversible loss and the huge heat loss are the main reasons that result in the low solar energy utilization efficiency. Different from the traditional studies, this study is starting from the maximum ability for working of the Gibbs free energy. By deriving the correlation of the maximum ability for working and energy level coupling equation among the solar energy, heat and Gibbs free energy, the minimum irreversible loss equation would be obtained. In this case, we will further disclose the generation and reduction mechanism of the irreversible loss. Moreover, taking the reduction of both irreversible loss and heat loss as targets, this study will explore new Ni-, Fe-, Mn- and Co-based metal oxide and/or perovskite oxygen carriers. At the same time, we will build the general evaluation criteria for solar-to-hydrogen/syngas energy efficiency, and proposing the new method to produce hydrogen/syngas by using mid-temperature (300~600℃) solar driven chemical-looping cycle. Furthermore, the experimental system of solar driven chemical-looping cycle for hydrogen/syngas production also will be manufactured in this project, and the above new mechanism and method will be experimentally verified. With the aid of this project, the energy conversion efficiency of solar-to-hydrogen/syngas would be improved to 13~15%. And the investigation in this project is expected to provide a new way in the development of hydrogen/syngas production by using solar thermochemical processes.

针对当前聚光太阳能热化学转氢/合成气效率不足10%的难题，传统研究主要关注通过催化剂提高反应转化率。本项目认识到，不可逆损失和热损失大是造成太阳能转氢/合成气效率低的根本原因。与传统思路不同，本项目从Gibbs自由能最大作功能力出发，推导聚光太阳能、热能和Gibbs自由能的最大作功能力关联式和品位耦合方程，建立不可逆损失与熵增最小化方程，揭示光-热-化学反应不可逆损失发生和减小机理。以减小光-热-化学反应不可逆损失和热损失为目标，探寻以Ni、Fe、Mn和Co为主的金属氧化物或镧锶掺杂钙钛矿等新型载氧体，建立太阳能转氢/合成气效率通用评价准则，提出中温（300~600℃）太阳能化学链循环制氢/合成气新方法。进一步，研制太阳能化学链循环制氢/合成气原理性实验装置，验证太阳能热化学制氢/合成气增效机理与新方法。通过本研究，将太阳能转氢/合成气效率提高到13~15%，可为发展太阳能热化学制氢/合成气提供一条新途径。

太阳能制氢是当前一个重要国际前沿方向，当前聚光太阳能热化学制氢/合成气中，单一太阳能分解水中太阳能利用效率不足 5%，太阳能热化学互补制氢/合成气中太阳能利用效率也仅在 10%左右。本课题针对当前高温太阳能热化学制氢/合成气中太阳能利用效率低的难题，在工程热物理与材料学科交叉，以化学反应 Gibbs 自由能最大作功能力为切入点， 揭示光-热-化学反应不可逆损失发生和减小机理，提出中温太阳能化学链循环高效制氢/合成气新方法，为提升太阳能转氢/合成气效率和发展太阳能热化学制氢/合成气提供一条新途径。自2020年1月课题开始执行，该课题取得的重要进展与成果如下：.(1)探索了制氢反应产物㶲与吉布斯自由能之间的转化关系，以降低反应过程的吉布斯自由能损失为突破口，分析了天然气化学链制氢反应的能量转化规律，探索了天然气化学链制氢反应中产物㶲的提升规律。 .(2)提出了制氢与CO2吸附分离一体化的甲烷化学链制氢新方法，并将密度泛函理论与实验相结合用于判断筛选适合化学链的掺杂钙钛矿型金属氧化物。研究结果表明所提出的新方法能有效降低制氢反应温度，具有在500℃下同时实现制氢与CO2捕集的可能性。 .(3)自主研制了10 kW槽式聚光太阳能驱动甲烷化学链制氢实验平台并了开展了实验验证，结果表明，当辐照功率为920 W/m2左右时，太阳热能向化学能的转化效率可达59.37%，实现了500℃中温太阳能的利用。. 课题执行期间构建了天然气化学链制氢反应的反应产物㶲增量方程，提出了中温太阳能化学链循环制氢/合成气新方法，并完成了太阳能化学链制氢实验平台的研制与实验验证，对于深入认识天然气化学链制氢反应中的能量转化规律、实现中温太阳能利用具有重要的指导意义。上述研究成果已发表SCI期刊论文2篇，国际会议论文2篇，在投SCI期刊论文4篇，申请国际发明专利1项、国家发明专利1项。培养博士生3名，其中1人获得研究生国家奖学金，1人获得宝钢教育基金会优秀学生奖学金，1人获得国际会议优秀论文奖。